【摘要】：開敞式低揚(yáng)程大型泵裝置以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝檢修方便等優(yōu)點(diǎn),近年來在我國(guó)城市防洪除澇工程、供水工程及農(nóng)業(yè)灌溉排澇工程中得到了廣泛應(yīng)用,但目前有關(guān)開敞式泵裝置的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)研究還不夠全面,還不能滿足工程實(shí)際要求。為此,本文對(duì)開敞式低揚(yáng)程大型泵裝置水力優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。本文首先運(yùn)用ANSYS CFX、STAR-CCM+等軟件對(duì)鐘形進(jìn)水流道、箱涵式出水流道開展了單因素和多因素正交數(shù)值模擬研究,在進(jìn)、出水流道水力優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,然后結(jié)合江蘇省大型開敞式泵站-富安泵站,將優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)、出水流道與水泵模型匹配組成泵裝置,通過三維湍流數(shù)值模擬和模型泵裝置試驗(yàn)研究富安泵站整體裝置性能。具體研究?jī)?nèi)容包括：(1)針對(duì)鐘形進(jìn)水流道,設(shè)計(jì)5因素(喇叭管高度H1、喇叭管口懸空高度H2、喇叭管口直徑D1、吸水錐高度H3和流道寬度B)4水平的L16(45)正交試驗(yàn)方案。以進(jìn)水流道水力損失、流道入口的速度均勻度和入流角為目標(biāo)函數(shù),采用極差分析法確定5因素的主次順序,并得出最優(yōu)組合方案。研究相同因素下,不同水平對(duì)進(jìn)水流道水力損、流道入口的速度均勻度和入流角的影響規(guī)律,并比較各組合方案的流道內(nèi)部流場(chǎng)。(2)根據(jù)正交試驗(yàn)研究結(jié)果,針對(duì)喇叭管高度和喇叭管口懸空高度這兩個(gè)主要因素,又設(shè)計(jì)24組數(shù)值試驗(yàn)方案,系統(tǒng)地研究喇叭管高度和喇叭管口懸空高度的變化對(duì)進(jìn)水流道水力損失、流道入口的速度均勻度和入流角的影響規(guī)律,并對(duì)比分析各方案的流道內(nèi)部流場(chǎng)。(3)在鐘形進(jìn)水流道系列研究基礎(chǔ)上,結(jié)合大型開敞式泵站一江蘇富安泵站,研究流道總高度確定時(shí),5種不同喇叭管口懸空高度對(duì)進(jìn)水流道水力損失、進(jìn)水流道入口均勻度和入流角的影響規(guī)律,比較分析了各方案的流場(chǎng)。(4)以箱涵式出水流道為研究對(duì)象,以流道水力損失為目標(biāo)函數(shù),設(shè)計(jì)5個(gè)出水流道高度H4,3個(gè)喇叭管口至流道頂板高度H5,共15個(gè)數(shù)值試驗(yàn)方案,并對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行3種不同流量下數(shù)值試驗(yàn),探討箱涵式出水流道水力優(yōu)化設(shè)計(jì)。(5)在對(duì)開敞式泵裝置流道水力優(yōu)化研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了江蘇富安泵站鐘形進(jìn)水流道和箱涵式出水流道,設(shè)計(jì)制作了模型泵裝置,構(gòu)建了模型試驗(yàn)系統(tǒng),并測(cè)試了不同葉片角度下的模型泵裝置能量特性。(6)以江蘇富安泵站模型泵裝置為研究對(duì)象,運(yùn)用CFD方法對(duì)模型泵裝置進(jìn)行了三維湍流數(shù)值模擬研究,并將數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析。通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論：(1)正交試驗(yàn)研究表明,鐘形進(jìn)水流道喇叭管口的直徑對(duì)鐘形進(jìn)水流道的水力性能起著主要影響,表現(xiàn)為隨著喇叭管口直徑的增加,流速分布均勻度呈上升趨勢(shì),水力損失呈下降趨勢(shì),入流角先上升后減小。(2)針對(duì)鐘形進(jìn)水流道喇叭管口懸空高度和喇叭管高度的多水平試驗(yàn)研究表明,在同一喇叭管高度下,喇叭管口懸空高度越大,流速分布均勻度越高,水力損失也越��；當(dāng)喇叭管口懸空高度固定不變,喇叭管高度增大時(shí),流道水力損失先快速減小后緩慢增加,在0.3D0附近出現(xiàn)拐點(diǎn),有最小值；當(dāng)喇叭管口懸空高度固定不變,喇叭管高度增大時(shí),流速分布均勻度呈上升趨勢(shì),在0.4D0后增大趨勢(shì)變平緩；喇叭管口懸空高度大于0.4D0后,在喇叭管口懸空高度固定時(shí),入流角隨著喇叭管高度H1的增大先增大后減小,于0.4D0附近出現(xiàn)拐點(diǎn),有最大值。(3)鐘形進(jìn)水流道高度固定不變,對(duì)喇叭管口懸空高度和喇叭管高度的試驗(yàn)研究表明,流道高度一定時(shí),隨著喇叭管口懸空高度的增加,流速分布均勻度逐漸增加并在0.5Do后增趨于平穩(wěn)；流道高度一定時(shí),隨著喇叭管口懸空高度的增加,入流角先減小再增大,在(0.6～0.7)D0間出現(xiàn)拐點(diǎn),有最小值；流道高度一定時(shí),隨著喇叭管口懸空高度的增加,流道水力損失逐漸減小,并在0.7D0后趨于平穩(wěn)：喇叭管口懸空高度的變化對(duì)入流角影響不明顯,但對(duì)流速分布均勻度和水力損失影響較大。(4)針對(duì)箱涵式出水流道喇叭管口至頂板的高度和流道高度的多水平試驗(yàn)研究表明,箱涵式出水流道水力損失隨流道高度的增加而增加；在0.8至1.2倍設(shè)計(jì)流量區(qū)間里,喇叭管口至頂板高度和流道高度對(duì)流道水力損失的影響規(guī)律一致：當(dāng)喇叭管口至流道頂板高度一定時(shí),適當(dāng)增加流道高度可以明顯降低流道水力損失；當(dāng)流道高度保持不變時(shí),流道水力損失隨著H5的增大而增大；當(dāng)喇叭管口至流道頂板高度為0.4D0時(shí),流道高度的變化對(duì)水力損失的影響很小。(5)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的進(jìn)、出水流道配水泵生產(chǎn)廠家提供的模型泵組成的富安模型泵裝置系統(tǒng),在試驗(yàn)過程中水力性能良好,運(yùn)行穩(wěn)定,進(jìn)水流道內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的漩渦、渦帶,無異常震動(dòng)、噪音；在設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程下,葉片角度+2°時(shí)模型泵裝置的流量為338L/s,標(biāo)準(zhǔn)方法換算成原型泵參數(shù),流量為11.5m3/s,接近設(shè)計(jì)流量11.8m3/s。(6)富安模型泵裝置三維湍流數(shù)值模擬研究表明,在同一個(gè)葉片角度(0°)下,揚(yáng)程隨流量的增大而減小的趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果一致,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值在設(shè)計(jì)工況區(qū)間基本吻合,但在偏離設(shè)計(jì)工況區(qū)間誤差明顯。
【圖文】：

．３．２計(jì)算網(wǎng)格劃分逡逑應(yīng)用忙ＥＭＣＦＤ軟件對(duì)鐘形進(jìn)水流道試驗(yàn)方案進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對(duì)蝸殼、賄趴管逡逑導(dǎo)水錐等流場(chǎng)復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，所有方案的計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為２５０萬左右。逡逑各試驗(yàn)方案網(wǎng)格劃分相似，此僅示１６個(gè)方案中一個(gè)方案的網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖３－３所逡逑。逡逑國(guó)３－３鐘形進(jìn)水流道網(wǎng)格劃分逡逑

（０）方案１５邐（Ｐ）方案１６逡逑圖３－２各方窠王維幾何造型逡逑算網(wǎng)格劃分逡逑忙ＥＭＣＦＤ軟件對(duì)鐘形進(jìn)水流道試驗(yàn)方案進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對(duì)蝸殼、等流場(chǎng)復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，所有方案的計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為２５０萬方案網(wǎng)格劃分相似，此僅示１６個(gè)方案中一個(gè)方案的網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖３
【學(xué)位授予單位】：揚(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TV675;TV136.2

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本文編號(hào)：2531991